霍金：黑洞中是什么？
昨天晚上21 时，首张黑洞照片全球公开，宏伟太空的秘密正在逐步被人类揭示，面对浩瀚宇宙，人类不只需要浪漫主义的认知，更多的是去挖掘它、理解它，我们只不过都是宇宙的微尘。
今天我们选摘了霍金在《十问》中阐释黑洞的一章，它是确凿的科学事实，却比科幻小说家的任何幻想更怪异、更离奇。
北京时间2019年4月10日21点公布的人类首张黑洞照片
据说事实有时候比小说更奇怪，而且找不到比黑洞的情况更能真实地体现这一点的了。黑洞比科幻作家梦想的任何东西都更奇怪，但它们是坚实的科学事实。
1783 年，剑桥人约翰·米歇尔首次讨论了黑洞。他的论证如下：如果一个人垂直向上发射一个粒子，诸如一个炮弹，它会由于引力而减速。最终，粒子将停止向上运动，并将回落。
然而，如果最初的向上速度大于某个临界值（称为逃逸速度），则引力永远不会强到足以阻止粒子，它就会逃脱。地球的逃逸速度仅稍大于每秒 11 千米，而太阳的逃逸速度约为每秒 617 千米。
两者都是远远高于真正的炮弹的速度。但它们与光速相比又较低，光速是每秒 30 万千米。因此光可以轻而易举地离开地球或太阳。
然而，米歇尔认为可能存在质量比太阳大得多的恒星，其逃逸速度比光速还大。我们将无法看到它们，因为它们发出的任何光都会被引力拖曳回来。
因此它们被米歇尔称为暗星，而我们现在称之为黑洞。
为了理解它们，我们需要从引力开始。爱因斯坦的广义相对论描述了引力，这是一个空间和时间的，也是引力的理论。空间和时间的行为受制于一组称为爱因斯坦方程的方程，那是爱因斯坦于 1915 年提出的。虽然引力是迄今为止已知的自然力中最弱的，但它有两个比其他力更关键的优势。首先，它的作用是长程的。太阳距离我们 9300 万英里，它将地球保持在轨道上，而太阳被保持在围绕银河系中心的轨道上，该中心大约在 10000 光年远。第二个优势是引力总是吸引的，不像电力，它可以吸引，也可以排斥。这两个特征意味着，对于一个足够大的恒星，粒子之间的引力可以支配所有其他的力，并导致引力崩溃。尽管存在这些事实，科学界仍然未能很快地意识到大质量的恒星可能会在自己的引力作用下往自身坍缩，并弄清楚留下的天体会如何行为。
阿尔伯特·爱因斯坦在 1939 年甚至写了一篇论文，声称恒星在引力作用下不能坍缩，因为物质不能被压缩超过某种程度。许多科学家分享了爱因斯坦的直觉。美国科学家约翰·惠勒是主要的异见者，他在很多方面都是黑洞故事中的英雄。在他 20 世纪 50 年代和 60 年代的研究中，他强调许多恒星最终会坍缩，并探讨了这对理论物理学带来的问题。他还预见到坍缩恒星变成的天体——黑洞的许多属性。
在一颗普通恒星超过数十亿年寿命的大部分时间中，它将依赖把氢转化为氦的核过程产生的热压来抵抗其自身的引力。然而，这颗恒星最终将耗尽其核燃料，恒星将收缩。在某些情况下，它可能成为白矮星，那是恒星核心的密集残余。然而，1930 年，苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡证明白矮星的最大质量约为太阳的 1.4 倍。俄罗斯物理学家列夫·兰道计算出一个类似的最大质量，适用于完全由中子构成的恒星。
那些质量大于白矮星或中子星最大质量的无数恒星，一旦耗尽了核燃料其命运将会如何？后来因原子弹成名的罗伯特·奥本海默研究了这个问题。1939 年，他在和乔治·沃尔科夫与哈特兰·斯奈德合作的两篇论文中，证明了压力不可能支持这样的恒星。而如果人们忽视压力，均匀的球状对称的恒星就会收缩到一个无限密度的点。这样的点被称为奇点。我们所有的空间理论都是在基于时空是光滑的、几乎平坦的假设之上而表述的，所以它们在奇点处，即时空曲率无限处崩溃了。事实上，它标志着空间和时间本身的终结。这正是令爱因斯坦非常反感的东西。
然后第二次世界大战爆发了。包括罗伯特·奥本海默在内的大多数科学家，改为关注核物理，而引力坍缩问题基本上被遗忘了。随着被称为类星体的遥远天体的发现，对这个论题的兴趣又复活了。第一个类星体 3C273 于 1963 年被发现，许多其他类星体也很快相继被发现了。尽管它们远离地球，它们仍然很明亮。因为核过程作为纯粹的能量只释放出它们静止质量的一小部分，所以这无法解释它们的能量输出问题。唯一的替代解释是引力坍缩释放的引力能量。
恒星的引力坍缩被重新发现了。当发生这种情况时，物体的引力将其周围的所有物质向内吸引。很清楚，一个均匀的球状恒星将收缩到无限密度的一点，即奇点。但如果这颗恒星不是均匀的球状，将会发生什么呢？这种恒星物质的不对称分布是否会引起不均匀的坍缩，并避免出现奇点？在 1965 年的一篇引人注目的论文中，罗杰·彭罗斯证明，只要根据引力是吸引的这个事实，仍然会存在一个奇点。
爱因斯坦方程不能在奇点处定义，这意味着在这一具有无限密度的点上，人们无法预测未来。这意味着，只要一颗恒星坍缩就会发生奇怪的事情。如果奇点不是赤裸的，也就是说，它们对外界屏蔽的话，我们就不会受到预测崩溃的影响。彭罗斯提出了宇宙监督猜想：由恒星或其他天体坍缩而形成的所有奇点都隐藏在黑洞内部而不被看到。黑洞是引力太强以至于光线无法逃逸的区域。宇宙监督猜想几乎肯定是正确的，因为许多证伪它的尝试都失败了。
约翰·惠勒在 1967 年提出“黑洞”这个术语，它取代了早先的“冻星”这个名字。惠勒的新造词强调，坍缩恒星的残余本身就很有趣，和它如何形成无关。新名字很快就广为流行。
约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler，1911 年 7 月 9 日—2008 年 4 月 13 日），美国物理学家、物理学思想家和物理学教育家。
从外面看，你不能知道黑洞里面是什么。无论你投入什么，或者无论它如何形成，黑洞看起来都是一样的。约翰·惠勒由于以“黑洞无毛”来表达这个原理而闻名于世。
黑洞有一个被称为事件视界的边界。正是在这个地方，引力刚好强到足以将光线拖曳回来并防止它逃脱。因为没有东西可以旅行得比光快，所以其他一切也都会被拖曳回来。跌入事件视界有点儿像乘独木舟越过尼亚加拉大瀑布。如果你是在瀑布上方，要是你足够快速划桨离开，你可以逃脱落下的命运。但是一旦你越过边缘就会完蛋，根本无法返回。当你越来越接近瀑布时，水流就变得越来越急。这意味着，拉独木舟的前部的力比拉后部的力更强大，独木舟会有被拉断的危险。黑洞的情形也一样。如果你的脚首先跌入黑洞，引力拉你的脚比拉你的头更厉害，因为脚离黑洞更近。结果你的纵向被伸展，而横向被压扁。如果黑洞的质量是我们太阳的几倍大，在到达视界之前，你就会被撕裂，变成意大利面条。然而，如果你陷入了一个大得多的黑洞，其质量超过太阳的 100 万倍，那么作用到你整个身体的引力拉力将是相同的，你就会毫无困难地到达视界。所以，如果你想探索一个黑洞的内部，一定要选择一个大黑洞。在我们的银河系中心有一个黑洞，其质量约为太阳的 400 万倍。
尽管当跌入黑洞时，你不会注意到任何特别的东西，但是从远处看你的人永远不会看到你越过事件视界。相反的，你似乎会放慢速度并在外面盘旋。你的形象会越来越暗淡，越来越红，直到你实际上从视线中消失。就外部世界而言，你将永远逝去。
在我的女儿露西出生后不久，我有了一个尤里卡时刻。我发现了面积定理。如果广义相对论是正确的，并且物质的能量密度是正的，就像通常这种情况，那么事件视界，即黑洞的边界的表面积，具有当额外物质或辐射落入黑洞时总是增加的性质。此外，如果两个黑洞碰撞并合并成一个黑洞，则围绕被产生的黑洞的事件视界的面积大于围绕原先黑洞的事件视界的面积之和。面积定理可以通过激光干涉仪引力波天文台（LIGO）的实验测试。2015 年 9 月 14 日，LIGO 探测到来自两个黑洞的碰撞和合并的引力波。人们可以从波形估计黑洞的质量和角动量，并按照无毛定理确定视界面积。
这些性质暗示，在黑洞事件视界的面积和传统的经典物理学，特别是热力学中熵的概念之间存在相似之处。熵可以被视为对一个系统的混乱的测度，或者相当于对其精确状态的缺乏了解的测度。著名的热力学第二定律说，熵总是随着时间的推移而增加。这个发现是这个关键联系的第一个提示。
黑洞性质和热力学定律之间的类比可以被扩展。热力学第一定律说，一个系统的熵的微小变化伴随着该系统的能量的成比例变化。布兰登·卡特、吉姆·巴丁和我发现了一道类似的定律，它把黑洞质量的变化和视界面积的变化联系起来。这里的比例因子涉及一个被称为表面引力的量，它是在事件视界上的引力场强度的度量。如果人们接受事件视界的面积类似于熵，那么似乎表面引力类似于温度。事件视界上的所有点的表面引力都是相同的，这一事实使这个类似得到加强，正如处于热平衡的物体的温度处处相同一样。
尽管熵与事件视界的面积之间存在清楚的相似性，但该面积如何被确认为黑洞本身的熵对我们并非显而易见。黑洞的熵意味着什么？雅各布·贝肯斯坦于 1972 年提出了关键的建议，当时他是普林斯顿大学的一名研究生。该建议是这样的：当黑洞通过引力产生坍塌时，它迅速安定到一种静止状态，这种状态由质量、角动量和电荷这三个参数来表征。
这使得黑洞的最终状态似乎与坍缩的天体是由物质还是反物质组成，或者它是球状还是高度不规则形状无关。换句话说，给定质量、角动量和电荷的黑洞可由大量物质的不同配置中任何一个的坍缩而形成。这样看起来同样的黑洞可能是由大量的不同类型的恒星坍缩形成的。确实，如果忽略量子效应，由于黑洞本身可以由无限多的质量无限小的粒子云的坍缩形成，配置的数目将是无限的。但是，配置的数目真的可以是无限的吗？
众所周知，量子力学涉及不确定性原理。它断言，人们不可能同时测量任何物体的位置和速度。如果有人精确地测量某物的位置，那么它的速度就是不确定的。如果有人测量某物的速度，那么它的位置就是不确定的。在实践中，这意味着无法对任何东西进行局域化。假设你想要测量某物的大小，那么你需要找出这个移动物体终端的位置。你永远不能准确地做到这一点，因为它将涉及测量该物在同一时刻的位置及速度。由此，则无法确定一个物体的尺寸。由于不确定性原理，你不可能准确地说出某物的大小真正是多少。其结论是，不确定性原理对物体大小施加了限制。经过些微计算后，人们发现，对于一个物体的给定质量，存在一个最小的尺度。对于重物而言，这个最小尺度很小，但是当看到越来越轻的物体时，最小尺度变得越来越大。这个最小尺度可被认为是在量子力学中物体可以同时被认为是波或粒子的这一事实的结果。物体越轻，其波长越长，因此更加分散。物体越重，其波长越短，因此看起来更紧凑。当这些思想与广义相对论相结合时，意味着只有比特定重量更重的物体才能形成黑洞。这个重量与一粒盐的重量大致相同。这些想法的进一步结果是，形成给定质量、角动量和电荷的黑洞的配置数目尽管可以非常大，但也还是有限的。雅各布·贝肯斯坦建议，从这个有限数目，人们可以解释黑洞的熵。这就是在创生黑洞的坍缩期间似乎无法挽回丧失的信息量的测度。
照片公布前根据现有物理理论的计算机模拟黑洞图像
贝肯斯坦建议显然的致命缺陷是，如果黑洞拥有与其事件视界的面积成比例的有限的熵，那么它也应该具有非零温度，该温度与其表面引力成比例。这意味着黑洞能与某一非零温度下的热辐射处于平衡。然而根据经典概念，不存在这样的平衡，因为黑洞会吸收落在它上面的任何热辐射，但根据定义不能够反过来发出任何东西。它不能发射任何东西，也不能发射热。
这就产生了有关黑洞——由恒星坍缩创造的令人难以置信的密集天体——的性质的一个悖论。一种理论建议，具有相同性质的黑洞可以由无限数目的不同类型的恒星形成。另一个建议说，这个数字可能是有限的。这是一个信息论问题——宇宙中的每个粒子和每个力都包含信息的思想。
因为正如科学家约翰·惠勒所说，黑洞无毛，除了它的质量、电荷和旋转，人们无法从外面说出黑洞内部是什么。这意味着，黑洞必须包含大量对外面世界隐藏的信息。但是能塞到一个空间区域的信息量有个极限。信息需要能量，而根据爱因斯坦著名的方程 E=mc²，能量具有质量。所以，如果在一个空间区域存在太多信息，它将坍缩变成黑洞，而黑洞的大小会反映信息量的多少。这就像把越来越多的书籍堆进图书馆。最终，书架就会垮掉，图书馆就会坍缩成黑洞。
如果隐藏在黑洞内的信息的数量取决于黑洞的大小，人们从一般原则能预期到黑洞会有一个温度，并会像一块热的金属一样发光，但那是不可能的，因为正如每个人都知道的那样，没有任何东西可以摆脱黑洞。至少那时候都是这么认为的。
这个问题一直持续到 1974 年初，当时我正在根据量子力学来研究黑洞附近物质的行为。令我十分惊讶的是，我发现黑洞似乎以恒定的速度发射粒子。和当时的其他人一样，我接受了黑洞无法发出任何东西的定论。因此，我相当努力想摆脱这种令人尴尬的效应。但是我越深入思考，它越拒绝消失，最后我不得不接受它。最终让我确信这是一个真实的物理过程的原因是，向外飞离粒子的谱恰好是热的。我的计算预测，黑洞会产生并发射粒子和辐射，就好像它是一个普通的热体一样，其温度与表面引力成正比，与质量成反比。这使得雅各布·贝肯斯坦提出的那个有问题的建议，即黑洞拥有有限的熵，完全自洽，因为它暗示黑洞可以在某个非零的有限温度下处于热平衡状态。
图片来自NASA
从那时起，其他许多人采用各种不同方法，证实了黑洞发出热辐射的数学证据。可以用以下的一种方法来理解黑洞发射。量子力学意味着整个空间充满了成对的虚的粒子和反粒子，这些粒子和反粒子不断成对出现、分离，然后再次聚集在一起，并相互湮灭。这些粒子被称为虚粒子，因为它们与真实粒子不同，所以不能直接用粒子探测器观察到。尽管如此，它们的间接影响仍然可以被测量到，而且已经由称为兰姆移位的小移动证实了它们的存在，兰姆移位是它们在来自受激氢原子的光的能谱中产生的。现在，在存在黑洞的情况下，一对虚粒子中的一个可能落入该黑洞中，而另一个失去了要与其相互湮灭的伙伴。被抛弃的粒子或反粒子可能在其伴侣之后也落入黑洞，但它也可能逃逸到无限远，在那里它就呈现为黑洞发出的辐射。
另一种看待该过程的方法是将落入黑洞的该对粒子的一员，比如说反粒子，视为真正的正在时间中向后倒退的粒子。就这样反粒子落入黑洞可以算是作为从黑洞出来但正在时间中向后倒退的粒子。当该粒子到达其反粒子对原先出现的那一点时，它被引力场散射，这样它就在时间中前进。一个太阳质量的黑洞会以如此缓慢的速率泄漏粒子，其速率无法被检测到。然而，可能会存在更小的迷你黑洞，比如具有一座山的质量。
这些可能已经在极早期宇宙中形成，如果那时宇宙是混沌和无规的话。山岳大小的黑洞会发射X射线和伽马射线，其功率约为 1000 万兆瓦，足以为世界供电。
然而，利用迷你黑洞并不容易。你无法将它保存在发电站中，因为它会穿过地板掉落并最终结束于地球的中心。如果我们有这样的黑洞，保持它的唯一方法是让它在围绕地球的轨道上运行。
人们一直在寻找这种质量的迷你黑洞，但到目前为止还未找到。这太可惜了，因为，如果他们找到，我就会获得诺贝尔奖。然而，另一种可能性是我们可能在额外的时空维度上创造微小的黑洞。根据某些理论，我们所经历的宇宙只是十维或十一维空间中的四维面。
电影《星际穿越》给出了一些有关这些思想的画面。我们看不到这些额外的维度，因为光不能通过它们传播，而只能通过我们宇宙的四个维度传播。然而，引力会影响额外的维度，并且比在我们的宇宙中强得多。
这样在额外的维度上形成一个小黑洞可能会容易得多。有可能在瑞士 CERN 的 LHC 大型强子对撞机上观察到这一点。这包括一条 27 千米长的圆形隧道。两束粒子以相反的方向围绕该隧道行进并且被迫碰撞。一些碰撞可能会产生微黑洞。这些黑洞会以易于识别的模式辐射粒子。所以我终究可以获得诺贝尔奖。
图片来自纪录片《Wonders of the Universe》
当粒子从黑洞中逃逸出来时，黑洞将失去质量并收缩。这将增大粒子的发射速率。最终，黑洞将失去其所有质量并消失。那么落入黑洞的所有粒子和不幸的宇航员会发生什么呢？当黑洞消失时，它们不能就那么重新出现。从黑洞中出来的颗粒似乎是完全随机的，并且和落进去的是什么无关。关于落进东西的信息，除了总质量和旋转量外，似乎都丢失了。但如果信息丢失，这引发了一个直击我们理解科学的核心的严重问题。
200 多年来，我们一直相信科学决定论。也就是说，科学定律决定了宇宙的演化。
如果信息真的丢失在黑洞中，我们就不能够预言未来。因为黑洞可以发射任何粒子集合，它可能放出一台正常工作的电视机或皮质精装版的莎士比亚的全集，尽管这种奇异发射的可能性非常低。它发出热辐射的可能性要大得多，正如炽热的金属发光。我们不能预言从黑洞会出来什么似乎无关紧要。我们附近毕竟没有任何黑洞。
但这是一个原则问题。如果决定论，即宇宙的可预测性因黑洞而崩溃，它在其他情况下也可能崩溃。可能存在虚拟黑洞，它表现为偏离真空的涨落。虚拟黑洞吸收一组粒子，发射另一组粒子，并再次消失在真空中。甚至更糟糕的是，如果决定论崩溃，我们也就不能确定我们过去的历史。历史书籍和我们的记忆可能只是幻想。正是过去告诉我们，我们是谁。没有它，我们就失去了自己的本我。
因此，确定信息是否确实在黑洞中丢失，或者在原则上是否可以恢复信息非常重要。许多科学家认为信息不应该丢失，但多年来没有人提出可以保持信息的机制。这种明显的信息丢失，被称为信息悖论，在过去的 40 年中一直困扰着科学家们，并且仍然是理论物理学中最大的未解决问题之一。
最近，随着关于引力和量子力学统一的新发现，已重新唤起人们对信息悖论的可能解决方案的兴趣。这些新近突破的核心是理解时空的对称性。
图片来自 NASA
假设没有引力，而时空是完全平坦的。这就像一个完全没有特色的沙漠。这样的地方有两种对称。第一种称为平移对称性。如果你从沙漠中的一个点移动到另一个点，你就觉察不到任何变化。第二种是旋转对称性。如果你站在沙漠中的某个地方并开始转身，你再次觉察不到所见有何不同。这些对称性也是“平坦”时空，也就是在没有任何物质的时空中具有的对称性。
如果一个人把某物放进这个沙漠，这些对称性就会被打破。假设在沙漠中有一座山、一片绿洲和一些仙人掌，那么在不同的地方和不同的方向就显得不同。时空也是如此。如果人们把物体放入时空，平移和旋转对称性就被破坏。而放入时空的物体也就是产生引力的东西。
黑洞是时空的一个区域，那里的引力强大，时空被剧烈扭曲变形，所以人们可以预料它的对称性被打破。然而，当人们远离黑洞，时空的曲率就越变越小。在离开黑洞非常遥远的地方，时空看起来非常像平坦时空。
早在 20 世纪 60 年代，赫曼·邦迪、A.W.肯尼思·梅茨纳、M.G.J.范德堡和赖纳·萨克斯就有真正卓越的发现，远离任何物质的时空拥有称为超平移对称的无数集合。这些对称中的每一个都和被称为超平移荷的一个守恒量相关联。守恒量是不会随着系统的演化而改变的量。这些是人们更为熟悉的守恒量的推广。例如，如果时空不随时间变化，那么能量就守恒。如果时空在空间的不同点处看起来相同，则动量就守恒。
发现超平移的非凡之处在于远离黑洞之处存在无限数目的守恒量。正是这些守恒定律为引力物理中的过程提供了非凡和意想不到的洞察。
2016 年，我和我的合作者马尔科姆·佩里和安迪·斯特罗明格一起努力将这些新结果及其相关的守恒量用于寻找信息悖论的可能解决方案。我们知道，黑洞的三个可辨识特性是它们的质量、电荷和角动量。这些是早已被理解的经典的荷。然而，黑洞还携带有超平移荷。因此，黑洞可能拥有比我们最初以为的要多得多的荷。它们并不是秃头或只有三根毛，实际上有非常大量的超平移的毛。
这些超平移毛可能会编码有关黑洞内部有什么的一些信息。这些超平移荷可能不包含所有信息，但其余的可能会由一些额外的守恒量，超旋转荷来解释，后者与称为超旋转的某些额外相关的对称相关联，然而，对于它们我们还理解得不太透彻。如果以上所叙是对的，而关于黑洞的全部信息可以按照它的“毛”来理解，那么信息也许没有损失。这些想法刚刚被我们最近的计算所确认。斯特罗明格、佩里和我以及研究生萨沙·哈科已经发现这些超旋转荷也许可以解释任何黑洞的全部的熵。量子力学继续成立，而信息存储在视界，即黑洞表面上。
黑洞仍然只由它们的整体质量、电荷和事件视界外的旋转来表征，但事件视界本身以某种方式，包含除了黑洞拥有的这三个特征外有关落进的东西的信息。人们还在研究这些问题，因此信息悖论仍未解决。但我对此很乐观，我们正趋向解决这个悖论。请关注此领域的进展。
你可能还想看：
粉丝可添加论坛君微信
进入粉丝群
（添加时请备注简要个人信息，昵称+学生或某公司职位）
欢迎关注公众号：世界科技创新论坛（ID：bdqqcxlt），为您提供一手科技资讯、产业转型升级案例分析、新奇有趣的创意想法…… | 编辑：Sugar